Detektion von biomolekularen Interaktionen

20. September 2020

Einen neuen Ansatz für integriert optische Biosensoren bzw. Biochips entwickeln, will das IBH-Projekt DlipChip. Damit sollen biomolekulare Interaktionen kostengünstiger registriert werden als dies bisher bei Biochips unter Verwendung von Ätzverfahren der Fall ist. Das Projekt wird getragen von Prof. Dr. Christoph Stamm vom Forschungsschwerpunkt Angewandte Optik an der ZHAW School of Engineering und Prof. Dr. Johannes Boneberg von der AG Scheer – Mesoscopic Systems im Fachbereich Physik der Universität Konstanz. Als Praxispartner ist die Firma Artifical Sensing Instruments ASI AG aus Zürich mit an Bord. Wir haben mit dem Projektteam gesprochen.

Was sind die Ziele des Projekts?

Integriert optische Biosensoren für die markierungsfreie Detektion von biomolekularen Interaktionen basieren darauf, dass ein Teil des durch Totalreflexion geführten Lichtes mit der biologischen Schicht interagiert und dadurch die geführte Lichtwelle in der Ausbreitung verlangsamt wird. Eine Möglichkeit, diese Ausbreitungsgeschwindigkeit zu bestimmen, basiert auf der Messung des Kopplungswinkels des anregenden Lichtes, welches über eine Oberflächenrelief-Gitterstruktur in den Wellenleiter eingekoppelt wird. Das Gitter wurde bisher meistens durch teure Ätzverfahren hergestellt. Die hohen Herstellungskosten sind einer der Gründe, warum sich diese Sensortechnik nicht im grossen Stil durchgesetzt hat.

Das Ziel des Projektes ist es, die Gitterstrukturierung mittels laserbasierter Oberflächenbearbeitung viel kostengünstiger zu realisieren. Die Parameter der Gitterstruktur müssen optimiert werden, sodass der Kopplungswinkel messtechnisch einfach bestimmt werden kann. Dazu werden Simulationen ausgeführt und die Verwendbarkeit der so hergestellten Gitter als integriert-optische Biosensoren in einem Laboraufbau demonstriert.

Warum ist die Bodenseeregion ein ideales Untersuchungsgebiet für Ihr Projekt?

Die beiden im Projekt involvierten Institutionen, die Universität Konstanz und die Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW) ergänzen sich in ihren Kompetenzen ideal. Die Universität Konstanz hat langjährige Erfahrung in der Laserstrukturierung von Oberflächen, während die ZHAW sich sowohl experimentell als auch basierend auf Simulationen mit optikbasierter Biosensorik beschäftigt.

Als beratender Partner ist zudem die Firma Artificial Sensing Instruments ASI AG, Zürich, ins Projekt eingebunden, welche Gitter basierte integriert-optische Biosensoren für die markierungsfreie Detektion von biomolekularen Interaktionen bereits kommerzialisiert hat. Die räumliche Nähe in der internationalen Bodenseeregion erleichtert den Austausch. Sollten wir mit unserem Projekt erfolgreich sein, werden wir weitere Partner aus der Region einbeziehen, um das in Form eines Proof-of-Concept entwickelte Verfahren, wenn möglich zur Serienreife zu bringen.

Wie gehen Sie konkret in Ihrem Projekt vor?

In einem ersten Schritt wird gezeigt werden müssen, dass eine Gitterstrukturierung in den gewünschten Dimensionen möglich ist. Die Qualität der Gitter wird mikroskopisch ausgewertet. Parallel werden die idealen Parameter durch Simulationen bestimmt, um die Zielparameter des Prozesses festzulegen. Schliesslich muss experimentell bestätigt werden, dass die Anordnung als Sensor funktioniert. Nicht zu unterschätzen ist, dass der Prozess so gestaltet werden muss, dass die Qualität der wellenleitenden Schichten ausreichend ist, sodass mit dem Sensoreffekt die gewünschte Auflösung in der Biosensoranwendung erzielt werden kann. Dies ist nicht trivial und dürfte einige Iterationen der Prozessoptimierung verlangen.

Was muss gelingen, damit Sie das Projekt nach Abschluss als erfolgreich bezeichnen würden?

Entscheidend ist, dass mit den neuartig strukturierten Gittern der Kopplungswinkel in genügender Auflösung bestimmt werden kann. Gelingt dies in vergleichbarer Qualität wie mit geätzten Gittern, so kann das Verfahren für eine industrielle Massenproduktion weiterentwickelt werden.

Unser Gradmesser für einen Projekterfolg ist also ein Folgeprojekt mit dieser Stossrichtung, in welchem idealerweise weitere Partner aus der Bodenseeregion beteiligt würden.

 

Ansprechperson
Prof. Dr. Markus Rhomberg
Tel.: +41 71 677 05 20
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